民航飛行員適當(dāng)自動(dòng)化任務(wù)轉(zhuǎn)換模式的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究思考

　　[摘要]民航飛行員適當(dāng)自動(dòng)化任務(wù)轉(zhuǎn)換模式的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究可以采用腦電能量分析、心率分析和事件相關(guān)電位分析技術(shù)，探討與任務(wù)相關(guān)的EEG能量參數(shù)以及ERP腦波成分和腦激活情況，為人機(jī)分配任務(wù)提供客觀(guān)依據(jù)。研究建立在認(rèn)知工作分析基礎(chǔ)上的具目標(biāo)導(dǎo)向性的領(lǐng)域知識(shí)的表征結(jié)構(gòu)和內(nèi)容顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性，對(duì)于人與自動(dòng)化系統(tǒng)的地位、人與自動(dòng)化系統(tǒng)的交流、人對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的干預(yù)等問(wèn)題的認(rèn)識(shí)有極大的參考價(jià)值，并且能夠以此來(lái)充實(shí)培訓(xùn)材料和飛行手冊(cè)。
　　[關(guān)鍵詞]民航飛行員；適當(dāng)自動(dòng)化任務(wù)轉(zhuǎn)換模式；認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)
　　[中圖分類(lèi)號(hào)]F563　[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A　[文章編號(hào)]1005-6432(2009)49-0059-03
　　
　　1　問(wèn)題提出
　　
　　航空工業(yè)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使飛機(jī)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，飛行職業(yè)對(duì)飛行員的體能負(fù)荷要求逐漸降低，而心理負(fù)荷要求增高。在飛行事故及事故癥候中，人為失誤已成為事故發(fā)生的主要因素，據(jù)報(bào)道可達(dá)58％～97％。近年來(lái)，人與飛行器系統(tǒng)在功能分配上有三種設(shè)計(jì)方案：全自動(dòng)形式、全手動(dòng)形式和手動(dòng)輔助形式。后一種形式把人和機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，是當(dāng)前先進(jìn)飛機(jī)駕駛艙和載人航天器座艙設(shè)計(jì)多采用的形式。例如波音公司在駕駛艙設(shè)計(jì)中提出的“適當(dāng)自動(dòng)化”，就是在人與機(jī)之間達(dá)到和諧，其宗旨是讓自動(dòng)化幫助而不是取代機(jī)組對(duì)飛機(jī)的安全操作。但是適當(dāng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)并不成熟，面臨很多挑戰(zhàn)和問(wèn)題。其中最核心的問(wèn)題是人機(jī)分配任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)，即何時(shí)把任務(wù)分配給駕駛員，何時(shí)把任務(wù)分配給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，何時(shí)任務(wù)由人和機(jī)器共同來(lái)完成。完善這一自動(dòng)化系統(tǒng)已成為航空界有關(guān)研究人員重點(diǎn)關(guān)心的課題之一。
　　駕駛艙內(nèi)大量自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用將駕駛員從繁重的四肢工作中解脫出來(lái)的同時(shí)，也對(duì)駕駛員的理解、判斷和決策能力提出了更高的要求。商用飛機(jī)駕駛艙的高度自動(dòng)化改變了人機(jī)界面和飛行操作方式。自動(dòng)化駕駛艙在一定程度上提高了飛行員對(duì)各種信息的獲取能力，減輕了飛行員的工作負(fù)荷，提高了工作效率。與此同時(shí)，自動(dòng)化也顯現(xiàn)出種種局限性。Woods(1996)認(rèn)為自動(dòng)化像是一個(gè)預(yù)先包裝好的盒子，盒子里面眾多不同緯度的單元被預(yù)先組裝在一起，形成軟件／硬件系統(tǒng)。因此可以設(shè)想當(dāng)某種更新的自動(dòng)化系統(tǒng)被引進(jìn)到實(shí)踐領(lǐng)域，帶來(lái)的改變也是多元的。這些新的內(nèi)容與傳統(tǒng)的工作方式和思維方式發(fā)生了矛盾和沖突，導(dǎo)致了新問(wèn)題的發(fā)生。這些問(wèn)題包括：①增加或改變?nèi)蝿?wù)。②改變飛行員的介入要求，導(dǎo)致飛行員處于低覺(jué)醒狀態(tài)。③改變?nèi)嗽谠撓到y(tǒng)中的角色，降低飛行員的工作滿(mǎn)足感。④增加了預(yù)先輸入的數(shù)據(jù)、預(yù)定的飛行模式，當(dāng)遇上復(fù)雜情況時(shí)有可能導(dǎo)致事故。基于自動(dòng)化給飛行安全帶來(lái)的種種問(wèn)題，Reising(1985)描述在未來(lái)的駕駛艙里，飛行員的工作狀態(tài)能夠被隨時(shí)監(jiān)控，并且系統(tǒng)能夠根據(jù)飛行員工作負(fù)荷的高低重新分配任務(wù)。但是并沒(méi)有研究者提供明確的參數(shù)來(lái)確定如何調(diào)節(jié)任務(wù)(Parasura-man，1990)。Morrision等人(1996)提出適當(dāng)自動(dòng)化可以借助一個(gè)或多個(gè)實(shí)時(shí)的技術(shù)方法，其中之一就是生理心理學(xué)的測(cè)量方法，研究者認(rèn)為生理信號(hào)能夠反映腦神經(jīng)的工作負(fù)荷和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)，并且能夠作為轉(zhuǎn)變自動(dòng)化模式和水平的參數(shù)指標(biāo)。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)是近年來(lái)興起的一門(mén)學(xué)科，其研究目的是尋找與任務(wù)執(zhí)行相關(guān)的神經(jīng)基礎(chǔ)及其加工機(jī)制。腦電圖、認(rèn)知事件相關(guān)電位和肌電圖等認(rèn)知神經(jīng)研究手段的出現(xiàn)，研究者能夠在不損傷腦的條件下直接觀(guān)察正常被試在完成認(rèn)知任務(wù)時(shí)的大腦活動(dòng)情況，使得研究將認(rèn)知過(guò)程與腦活動(dòng)直接聯(lián)系起來(lái)，大大提高了研究結(jié)果的直觀(guān)性和深入性。
　　基于自動(dòng)化水平程度與飛行員工作負(fù)荷負(fù)相關(guān)，Pope等人(1995)試圖應(yīng)用一種生物控制閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)飛行員的工作負(fù)荷。該系統(tǒng)根據(jù)飛行員所投入的心理資源量調(diào)節(jié)飛行員的工作負(fù)荷，即當(dāng)飛行員大腦加工載荷增高時(shí)，一個(gè)或多個(gè)任務(wù)應(yīng)該轉(zhuǎn)入自動(dòng)化以減輕飛行員的負(fù)擔(dān)；當(dāng)飛行員大腦加工載荷降低時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)分派更多的任務(wù)給飛行員。最終反饋系統(tǒng)會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)。
　　Pope認(rèn)為腦電圖(eleetroeneephologram，EEG)能夠反映出不同工作任務(wù)引起的大腦載荷變化(Davidson，1988；Davidson et a1，1990；Lubar，1991；Offenloch andZahner，1990)。例如，Davidson(1990)研究發(fā)現(xiàn)不同的覺(jué)醒水平α波能量和B負(fù)能量負(fù)相關(guān)。Lubar(1991)發(fā)現(xiàn)能量比β／0能夠區(qū)分正常兒童和有注意機(jī)能障礙的兒童。Pope等人(1995)由此推論存在腦加工載荷和工作負(fù)荷關(guān)系的閉環(huán)系統(tǒng)，而腦加工載荷由腦波能量參數(shù)反映。在負(fù)反饋情況下，EEG能量參數(shù)增高時(shí)降低自動(dòng)化水平，EEG能量參數(shù)降低時(shí)增高自動(dòng)化水平。在正反饋情況下，EEG能量參數(shù)增高時(shí)增高自動(dòng)化水平，EEG能量參數(shù)降低時(shí)降低自動(dòng)化水平。
　　民航飛行員適當(dāng)自動(dòng)化任務(wù)轉(zhuǎn)換模式的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究可以采用腦電能量分析、心率分析和事件相關(guān)電位分析技術(shù)，探討與任務(wù)相關(guān)的EEG能量參數(shù)以及ERP腦波成分和腦激活情況，為人機(jī)分配任務(wù)提供客觀(guān)依據(jù)。研究建立在認(rèn)知工作分析基礎(chǔ)上的具目標(biāo)導(dǎo)向性的領(lǐng)域知識(shí)的表征結(jié)構(gòu)和內(nèi)容顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性，對(duì)于人與自動(dòng)化系統(tǒng)的地位、人與自動(dòng)化系統(tǒng)的交流、人對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的干預(yù)等問(wèn)題的認(rèn)識(shí)有極大的參考價(jià)值，并且能夠以此來(lái)充實(shí)培訓(xùn)材料和飛行手冊(cè)。新一代適當(dāng)自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是漫長(zhǎng)復(fù)雜的過(guò)程，能正確對(duì)待和使用自動(dòng)化飛行系統(tǒng)，才能真正保證飛行安全和提高飛行效率。
　　
　　2　研究技術(shù)
　　
　　Pope等人(1995)研究發(fā)現(xiàn)飛行員在不同工作負(fù)荷狀態(tài)下，腦電能量參數(shù)β／(α+0)表現(xiàn)出顯著差異，并且這一能量參數(shù)相較于其他參數(shù)有更強(qiáng)的分辨力。他們還得出結(jié)論用高頻β波(38～42Hz)或肌電(42～100Hz)來(lái)代替β波并不會(huì)顯著影響腦電能量比參數(shù)。
　　在這一研究的基礎(chǔ)上，民航飛行員適當(dāng)自動(dòng)化任務(wù)轉(zhuǎn)換模式的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)擬采用混合因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：2(任務(wù)模式：自動(dòng)或手動(dòng))×2(單任務(wù)或多任務(wù))×2(實(shí)驗(yàn)組或控制組)。探討與任務(wù)相關(guān)的EEG能量參數(shù)以及ERP腦波成分和腦激活情況，為人機(jī)分配任務(wù)提供客觀(guān)依據(jù)。
　　主實(shí)驗(yàn)任務(wù)采用NASA新版多屬性任務(wù)組塊(MultiAttribute Task，MAT)。MAT包括四個(gè)獨(dú)立的任務(wù)窗口，分別是監(jiān)控任務(wù)、補(bǔ)償性追蹤任務(wù)、通信任務(wù)和資源管理任務(wù)。這些不同的任務(wù)用來(lái)模擬駕駛?cè)藛T在真正飛行時(shí)經(jīng)常操作的任務(wù)。本研究只應(yīng)用監(jiān)測(cè)任務(wù)、補(bǔ)償性追蹤任務(wù)和資源管理任務(wù)。
　　ERP實(shí)驗(yàn)任務(wù)采用聽(tīng)覺(jué)Oddbl模式。聲音刺激為短純音，強(qiáng)度60dB。由聲音刺激器隨機(jī)產(chǎn)生高音調(diào)(1100Hz)和低音調(diào)(900Hz)聲音，出現(xiàn)概率分別為10％和90％。聲音呈現(xiàn)時(shí)間和間隔隨具體實(shí)驗(yàn)而定，高音調(diào)刺激作為靶刺激。
　　ERP數(shù)據(jù)的離線(xiàn)處理分析主要包括：①合并任務(wù)數(shù)據(jù)(Merge task data)。②自動(dòng)校正眼電偽跡(Ocular artifact reduction)，減少眼電污染。③濾波(Fliter)，排除50周干擾以及其他偽跡。④對(duì)腦電分段(Epoch)，按照預(yù)設(shè)的“分析時(shí)程”，以刺激物發(fā)生為起點(diǎn)，對(duì)記錄的EEG進(jìn)行分段。⑤慢電位糾正(Linear derend)，將偏移較大的慢電位拉回基線(xiàn)。⑥基線(xiàn)糾正(Baseline correct)，在當(dāng)前波形文件中校正DC偏差。⑦排除偽跡(Artifacteiee—tion)，排除腦電描記中非起源于腦部的電活動(dòng)干擾，包括由肌電、心電等造成的偽跡。⑧平均(Average)，對(duì)EEG分類(lèi)疊加，得到各任務(wù)的ERP成分。⑨用德國(guó)BrainProducts公司的Analyzer軟件，依次測(cè)量疊加后的各波段波幅與潛伏期，呈現(xiàn)事件相關(guān)電位圖形。⑩綜合分析頭皮各電極記錄點(diǎn)，并對(duì)已有研究闡明的操作任務(wù)活動(dòng)區(qū)(如額區(qū)、頂區(qū))，的誘發(fā)電位重點(diǎn)分析。
　　
　　3　研究領(lǐng)域
　　
　　民航飛行員適當(dāng)自動(dòng)化任務(wù)轉(zhuǎn)換模式的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究擬采用腦電能量分析、心率分析和事件相關(guān)電位技術(shù)，探討適當(dāng)自動(dòng)化的人機(jī)分配任務(wù)，具體從以下方面人手：(D探討不同的自動(dòng)化模式和水平對(duì)ERP峰潛期、峰值的影響，不同任務(wù)模式與皮層定位的關(guān)系。②探討不同任務(wù)負(fù)荷可能激活的不同腦區(qū)及誘發(fā)出的ERP。③探討不同的自動(dòng)化模式和水平對(duì)EEG能量指數(shù)以及心率變異的影響。④探討不同任務(wù)負(fù)荷對(duì)EEG能量指數(shù)以及心率變異的影響。⑤找到合適的實(shí)驗(yàn)任務(wù)與對(duì)照任務(wù)(基線(xiàn))。⑥有效分析現(xiàn)已獲得的腦電數(shù)據(jù)并得出可靠結(jié)論。腦事件相關(guān)電位技術(shù)，具體運(yùn)用德國(guó)Brain Products公司的程序軟件編制刺激程序、呈現(xiàn)序列、記錄行為數(shù)據(jù)；運(yùn)用Re—corder軟件記錄和存儲(chǔ)腦電數(shù)據(jù)，運(yùn)用Analyzer軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線(xiàn)分析。EEG分析技術(shù)，具體運(yùn)用日本光電公司生產(chǎn)的多導(dǎo)生理儀。
　　
　　4　應(yīng)用前景
　　
　　高新技術(shù)的應(yīng)用在給民航帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也帶來(lái)了安全效益。但是，在自動(dòng)化解決或部分解決了原有問(wèn)題的同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題。從飛機(jī)制造商到航空公司，從飛機(jī)設(shè)計(jì)師到飛行員，他們對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)都將對(duì)飛機(jī)的安全產(chǎn)生巨大的影響。例如處于航空技術(shù)領(lǐng)先地位的波音(Boeing)公司采用了Billings(1997)的“以人為本”的設(shè)計(jì)思想，波音公司的“軟保護(hù)”設(shè)計(jì)允許飛行員在飛行包絡(luò)面以外擁有飛行操縱權(quán)，以便在應(yīng)急狀態(tài)下擺脫困境。其駕駛艙人機(jī)界面向飛行員提供盡可能多的感覺(jué)通道的反饋信息。而這一設(shè)計(jì)理念的核心是適當(dāng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的人機(jī)功能分配的決策問(wèn)題，其決定了人與自動(dòng)化系統(tǒng)間的關(guān)系、系統(tǒng)和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)以及飛行操作程序等。民航飛行員適當(dāng)自動(dòng)化任務(wù)轉(zhuǎn)換模式的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究擬采用EEG、ERP和心率指(HRV)標(biāo)本研究擬采用腦電能量分析、心率分析和事件相關(guān)電位技術(shù)，探討適當(dāng)自動(dòng)化的人機(jī)分配任務(wù)。研究建立在認(rèn)知工作分析基礎(chǔ)上的具目標(biāo)導(dǎo)向性的領(lǐng)域知識(shí)的表征結(jié)構(gòu)和內(nèi)容顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性，并且以此來(lái)充實(shí)培訓(xùn)材料和飛行手冊(cè)。新一代適當(dāng)自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是漫長(zhǎng)復(fù)雜的過(guò)程，能正確對(duì)待和使用自動(dòng)化飛行系統(tǒng)，才能真正保證飛行安全和提高飛行效